Analisi dei risultati

Si riportano i valori delle variabili fluidodinamiche su una sezione ortogonale all’asse longitudinale del reattore e passante per il centro del reattore e dei fori di adduzione dell’aria secondaria.

Figura 3.13 - Andamento della velocità un piano passante per l’asse dei fori di iniezione dell’aria primaria – il reticolo in basso indica la parte del

Figura 3.14 - Particolare della velocità un piano passante per l’asse dei fori di iniezione dell’aria primaria.

Attraverso l’utilizzo delle path lines, è possibile seguire il percorso del fluido internamente al reformer: si osserva è un ricircolo che fa risalire il fluido in corrispondenza della parete, tale da aumentare il flusso di specie e di energia fra la parte bassa e la parte alta del reformer (figura 3.15).

Se ciò può essere visto come un fattore positivo relativamente al trasporto di specie, in quanto comporta una maggiore uniformità della miscela, non è un fenomeno positivo dal punto di vista del trasporto di energia, in quanto va ad innalzare la temperatura nella

parte alta del reformer, dove, essendo la miscela non omogenea, possono innescarsi reazioni indesiderate di combustione.

Figura 3.15 - Andamento della linee di flusso in un piano trasversale al reattore passante per l’asse dei fori di iniezione dell’aria primaria. La colorazione delle

streamlines evidenzia il modulo della velocità del fluido nel reattore

In figura 3.16 è riportato il profilo di temperatura, in assenza di reazioni chimiche di combustione (indesiderate), mentre le figure 3.17 e 3.18 mostrano i campi di intensità cinetica turbolenta.

Figura 3.16 - Andamento della temperatura in un piano passante per l’asse dei fori di iniezione dell’aria primaria.

Figura 3.17 - Andamento dell’energia cinetica turbolenta (k) in un piano passante per l’asse dei fori di iniezione dell’aria primaria.

Figura 3.18 - Particolare dell’energia cinetica turbolenta (k) nella parte alta del

reformer in un piano passante per l’asse dei fori di iniezione dell’aria primaria.

Il sistema di iniezione crea forte turbolenza nella parte alta del reformer, poi l’intensità turbolenta si riduce sempre più andando verso il catalizzatore.

Ciò implica una più alta capacità di miscelamento nella parte alta del reformer, grazie al trasporto di massa legato alla turbolenza . L’iniezione di gasolio in fase liquida determina la dispersione delle gocce nel reformer riportata in figura 3.19.

Figura 3.19 - Dispersione delle gocce di gasolio in uno spicchio di 12° del reformer.

La dispersione delle gocce di liquido nel reattore risulta fortemente non omogenea, ciò è dovuto al sistema di iniezione di aria e gasolio: la portata di aria secondaria confina le goccioline sull’asse del reformer (figura 3.20) e le trascina nella parte bassa, dove poi vengono disperse dal campo di moto.

Figura 3.20– Effetto di confinamento dell’aria secondaria sul flusso di gasolio

La dispersione delle gocce avviene dunque in una zona dove l’intensità turbolenta è bassa, ed è quindi difficile assicurare l’ uniformità della miscela ( cfr. figura 3.17).

Il miscelamento non ottimale comporta inevitabilmente la formazione di zone nelle quali la miscela risulta in proporzioni stechiometriche o comunque nel range di infiammabilità, in queste condizioni, a causa dell’elevata temperatura, per la vicinanza del catalizzatore, la probabilità di innesco di fiamme è molto più alta

rispetto al caso in cui il miscelamento fosse avvenuto nella parte alta del reattore a temperature più basse. L’innesco delle indesiderate reazioni di combustione suddette, è confermato dai risultati ottenuti con il modello di simulazione dell’autoaccensione che individua una concentrazione di radicali instabili, precursori dell’accensione, in un’ampia fascia del reattore vicina al catalizzatore come illustrato in figura 3.21.

Figura 3.21 - Andamento della concentrazione adimensionalizzata dei radicali instabili nel reattore. L’autoaccensione avviene nella fascia rossa esterna al

L’applicazione del modello EDC, utilizzato per la simulazione dei fenomeni di combustione turbolenta conseguenti all’accensione spontanea della miscela, ha evidenziato lo stabilizzarsi di un fronte di fiamma nella zona del reattore ove si riscontrano sperimentalmente dei picchi di temperatura (figura 3.22).

Figura 3.22 - Andamento del reaction rate della reazione di ossidazione totale in un piano passante per l’asse dei fori di iniezione dell’aria primaria.

La combustione non è in grado di consumare interamente il combustibile presente nella miscela, in quanto le reazioni avvengono in difetto di ossigeno. La distribuzione della frazione

massica residua di combustibile al catalizzatore è riporta al grafico in figura 3.23.

Figura 3.23 - Andamento della frazione massica di combustibile al catalizzatore in presenza di combustione.

Facendo lavorare il reformer con valori del rapprorto S/C maggiori di 0.25, il più alto quantitativo di acqua diluisce maggiormente la miscela e ne aumenta il calore specifico, con conseguente aumento della temperatura di autoiniezione della miscela.

Simulazioni condotte con rapporto S/C pari a 0.35 e 0.5 hanno scongiurato la comparsa di fiamme, nonostante la formazione di

zone di miscela stechiometrica. Tali risultati sono in accordo con i dati rilevati sperimentalmente, in quanto per valori di S/C superiori a 0.3 il reformer presenta funzionamento sufficientemente stabile e produzione di particolato trascurabile o comunque contenuta.

Per condizioni di funzionamento stabile è possibile applicare il modello fenomenologico per la descrizione termica del catalizzatore, con risultati di accuratezza soddisfacente, come riportato dal confronto fra i profili di temperatura assiale nel catalizzatore (figura 3.24).

Figura 3.24 - Andamento della temperatura lungo l’asse del reattore in condizioni di funzionamento stabile.

La simulazione del reformer direct, progettato e sperimentato presso l’Università di Fraunhofer (Germania), ha determinato due risultati fondamentali per lo sviluppo del nuovo sistema:

1) Ha consentito di mettere a punto e validare dei modelli di simulazione numerica con ottime capacità predittive, che si sono rivelati fondamentali in fase di ingegnerizzazione; 2) Ha consentito una comprensione approfondita dei

fenomeni fisici e chimici alla base dei problemi di

funzionamento del reattore, consentendo così di

determinare le possibili soluzioni successivamente perseguite nella progettazione del nuovo sistema.

Con particolare riferimento al punto 2), è opportuno evidenziare i problemi connessi alla formazione di zone stechiometriche nella parte bassa del reattore, poco sopra il catalizzatore. Ciò può determinare, in talune condizioni, lo sviluppo di fiamme lungo l’asse del reformer, poco prima dell’ingresso del catalizzatore; le alte temperature raggiunte in quel punto deformano parte del supporto metallico del catalizzatore, come osservabile in figura 3.25 [13]. L’innesco delle reazioni di combustione costituisce inoltre l’attivazione dei meccanismi di formazione del particolato descritti al paragrafo 1.2.3, con i risultati evidenziati in figura 3.26.

Figura 3.25 – Catalizzatore metallic foam support, deformazione nella parte centrale causata dall’alta temperatura che si sviluppa a seguito della

combustione.

I risultati ottenuti hanno dunque orientato la progettazione verso lo sviluppo di sistemi di miscelazione altamente performanti, al fine di ottenere un flusso al catalizzatore il più omogeneo possibile.

Capitolo 4 – Progettazione e sperimentazione di